РМ и РК(пройдено) / продолжение лекций РМ и РК

Полупроводники Чем же так особенны полупроводниковые материалы, что они совершили революционный переворот в технике? Весь секрет кроется именно в достаточно узкой запрещённой зоне. Давая электронам какую-нибудь энергию, можно регулировать проводимость материала. Это может быть электрическое поле, свет (электромагнитные волны), температура и т.д. Это и объясняет колоссально широкое применение полупроводниковых приборов. Для более детального рассмотрения следует ввести некоторые термины, используемые в теории. В первую очередь «дырки». Дело вот в чём. Если из валентной зоны «улетит» электрон, то там останется свободное место. На это место может «прилететь» другой электрон. Т.к. электрон имеет отрицательный электрический заряд, то «улетая» от атома, он уносит собой этот кусочек общего заряда атома и атом становится чуть-чуть положительней. Конечно, рассуждения грубы, но это наводит на мысль о том, что можно представить, что на месте электрона образовалась дырка, которая «несёт» положительный заряд. Это настолько удачная мысль, что в теории полупроводников эти «дырки» называют даже частицами. Хотя на самом деле это никакая не частица, а просто вот такой трюк. Этот трюк удобен для теории, поэтому останавливаться подробно не будем на этом, но терминологию такую использовать будем. Также «дырки» и электроны в теории полупроводников называют p и n частицами от positive и negativе соответственно. Теперь уже с новой терминологией можно говорить, что когда подаётся на полупроводник энергия, которой хватает для «перескока» электрона, то образуется пара p и n. При температуре больше 0 Кельвина (это в человеческих единицах -273 по Цельсию) всегда есть какое-то количество энергии, которое подаётся на полупроводник из-за температуры. Поэтому если взять какой-нибудь кусок полупроводника, то можно с полной уверенностью говорить, что в нём постоянно генерируются и исчезают (рекомбинируют) пары p и n частиц. Этот процесс идёт постоянно и в таком материале есть всегда какое-то количество электронов и дырок, которые уже создались, но не успели ещё рекомбинировать. Их количество одинаковое, раз они образуются парами. Но этого мало. Для того, чтобы полупроводники применять в практических целях, создают специальные материалы с заведомо установленными параметрами. В данном случае вносят в чистый полупроводник какое-нибудь дополнительное вещество, которое увеличивает или количество электронов или «дырок». Такие полупроводники называют примесными (потому что в них примешали что-то). Одни называют полупроводниками n-типа, другие p-типа. Физические тонкости трогать не будем, об этом можно почитать в дополнительной литературе. Раз в полупроводниках существует два типа частиц с зарядом, способных упорядоченно двигаться, то существует в полупроводниках два типа тока: электронный и дырочный. Кроме того, двигаться частицы эти могут либо из-за электрического поля, либо из-за диффузии. Соответственно токи ещё могут быть или диффузионными или дрейфовыми. Наиболее популярными полупроводниковыми материалами на данный момент являются кремний, германий и соединение арсенид галлия. Сложной и самой важной конструкцией в полупроводниковых приложениях является контакт полупроводников p-типа и n-типа, так называемый pn-переход.

Резюме Полупроводниковые материалы обладают относительно узкой запрещённой зоной, что делает их гибкими в электрических применениях. В терминологии теории применяется понятие «дырка», которая интерпретируется как частица и может создавать электрической ток. «Дырка» является свободным местом под электрон и «имеет» положительный заряд. В чистом полупроводнике равное количество электронов и «дырок». Для технических применений создают специальные материалы с большим количеством или «дырок» (p-тип) или электронов (n-тип).

PN-переход Если взять два полупроводниковых материала и соединить их так, как показано на рисунке ниже, то можно получить pn-переход. На самом деле так не делают, потому что невозможно получить общую кристаллическую решётку просто приложив два материала, но для общих представлений достаточно и такой модели.

Напомню, что в чистый полупроводник добавили примесь, благодаря которой, материал стал обладать повышенной концентрацией зарядов, в одном случае «дырок», в другом — электронов. Как только два материала «соединили», образовав единый кусок вещества, возникает явление диффузии, которое стремится уровнять концентрации частиц по всему объёму. Самое интересное здесь будет происходить на границе, где рекомбинируют (уничтожаются) электроны и «дырки». В конечном счете, около границы двух материалов возникнет тонкий слой без «дырок» и электронов, т.е. весь заряд скомпенсировался. Однако, примеси, которые были добавлены в материалы, здесь вносят свой вклад. Эти примеси представляют собой ионы (атомы), которые имеют также какой-то заряд. Этот слой показан на рисунке.

Тот факт, что имеются заряженные ионы, и предотвращает дальнейший рост слоя рекомбинированных пар электронов и «дырок». Дело в том, что между двумя противоположно заряженными областями образуется электрическое поле, напряжённость которого направлена от положительной области к отрицательной. В итоге возникает равновесие в материале: при определённой толщине слоя, поле будет настолько сильным, чтобы отправлять обратно заряженные частицы (p и n), которые будут стремиться перетекать под действие диффузии в другую область. Противоборство электрического поля и диффузии и образуют pn-переход. На рисунке ниже это представлено более наглядно.

На рисунке квадратиками обозначены ионы, а кружочками частицы (p и n). Следует отметить, что если проводник n-типа — это ещё не значит что там только электроны, там также есть и дырки, но их очень мало. Это видно по диаграмме, которая нарисована на листочке. Можно догадаться, что для тех частиц, которых мало в той или иной области поле будет их ускорять, т.е. пропускать. Это так называемый ток неосновных носителей заряда. Если pn-переход никак не трогать, то данные токи равны и соответственно общий ток равен нулю. Самые интересные свойства pn-перехода проявляются если на него воздействовать какой-нибудь энергией, например, электрической.

• Ситуация №1. На концы куска материала, где присутствует pn-переход, подключены провода, которые создают разность потенциалов, в результате чего можно говорить о том, что внешним источником энергии создаётся некоторое поле с напряжённостью E. Его обычно так и называют — внешним полем. Конструкция показана на рисунке ниже.

В области контакта отсутствуют основные носители заряда, т.к. они все рекомбинировали. Соответственно это можно интерпретировать, как участок с большим сопротивлением. По крайней мере большим, чем остальной объём полупроводника. Также в виду того, что там присутствует поле, можно говорить, что имеется некоторая разность потенциалов, которую обычно называют контактной. Также говорят, что эта разность потенциалов формирует потенциальный барьер. Углубляться в этот вопрос не будем. Однако с этим связаны не менее интересные вещи, к примеру, именно этот потенциальный барьер определяет то, какое напряжение будет на переходе, если рассматривать pn-переход включённым в некоторую электрическую цепь. Вообще величина данного барьера зависит от типа материала. Поэтому различные полупроводниковые приборы, сделанные из разных материалов, отличаются рядом параметров, в том числе и падающим напряжением на переходе. Можно заметить, что внешнее поле и то, что имеется внутри соединения, имеют разные направления. В связи с этим, внешнее поле перекроет внутреннее и оно не будет оказывать влияния на материал. Это приведёт к тому, что переход выйдет из равновесия. Соответственно диффузионный ток уже сдерживаться не будет, а дрейфовый (неосновных носителей заряда) наоборот — будет подавляться. Таким образом, видно, что подключение вот по такой схеме, как на рисунке, приводит к появлению тока внутри полупроводника, причём ток направлен от p области к n области. Данную ситуацию называют «прямое смещение» pn-перехода.

 Ситуация №2. Та же самая конструкция, но потенциалы на концах материала поменялись местами. Такая ситуация тоже интересна. Конструкция показана на рисунке ниже.

В этом случае внешнее поле направлено в одну сторону с внутренним, что, конечно же, приводит к повышению дрейфового тока неосновных носителей заряда, т.к. неосновных носителей мало, то величина такого тока мала. Данную ситуацию называют «обратное смещение» pn-перехода.

 Ситуация №3. Та же самая конструкция, но теперь провода не будут подключены к источнику энергии, они будут просто соединены между собой. Внешним источником энергии будет выступать излучение, например свет. Конструкция показана на рисунке ниже.

То как свет действует на материал — это тематика отдельного разговора и понятно рассказать без использования квантовой электродинамики сложно. Поэтому будем просто считать, что в тот момент, когда свет попадает на pn-переход, там образуются пары электрон-«дырка». Т.к. присутствует внутреннее поле, то это поле «выкидывает» частицы подальше друг от друга так, что они не успевают уничтожиться. Если посмотреть на провод, который соединяет p и n части конструкции, то там будет течь некоторый ток. Нужно отметить, что не всякое излучение может создавать такие пары частиц, т.е. нужен «определённый» свет. Эта определённость заключается в длине волны или частоте излучения. Проще говоря, если посветить на один и тот же pn-переход синим фонариком, а затем красным, то не факт, что он будет в том и другом случае создавать ток в проводе. На этом принципе работают солнечные панели. Более эффективно такая система будет работать, если совместить её с обратным включением pn-перехода, тогда можно с помощью света управлять уже значительным током во внешней цепи.

 Ситуация №4. Конструкция аналогична первой ситуации.

Дело в том, что энергия, о которой постоянно идёт речь и которая очень важна для физики, обладает таким свойством, что она ниоткуда не берётся и никуда не уходит, она лишь способна менять свою форму. Когда электрон с дыркой рекомбинируют, а это, если вспомнить про зонную теорию, значит, что электрон встал на своём место в валентной зоне, т.е. уменьшил свою энергию. Данная энергия никуда не исчезает, а лишь трансформируется. Можно сделать такие конструкции, что эта энергия будет излучаться в виде света. Тогда можно использовать pn-переход в качестве излучателя. От типа примеси значительно зависит частота (длина волны) излучения. Другими словами, подмешивая разные примеси в полупроводник, можно управлять цветом его излучения. Существуют также более сложные конструкции с несколькими pn-переходами. Какой из них будет светить — зависит от тока. Так можно делать излучатель на несколько цветов.

В инженерной и научной практике обычно, для наглядности отображения свойств каких-нибудь сложных физических структур, используют специальные диаграммы зависимостей различных величин от других. В электротехнике часто это бывают зависимости тока и напряжения друг от друга. Для pn-перехода, где определяющим является ток, протекающий через переход, очень удобны зависимости тока от напряжения. Такая зависимость приведена на рисунке ниже. Её также называют вольт-амперной характеристикой или сокращённо ВАХ.

Знание ВАХ позволяет не держать в голове все физические процессы в материале, а опираясь на такие зависимости проектировать устройства. На рисунке эта зависимость нарисована оранжевым фломастером. Можно заметить, что если увеличивать напряжение в обратном смещении, то после некоторого значения резко растёт ток. Физически это своеобразное поведение электронов, похожее на лавину. Говорят, что происходит лавинный пробой. Обычно после такого pn-переход своими свойствами больше не походит на pn-переход. Подробно не будем рассматривать эту тему. Отметим, лишь, что иногда, но в меру лавинный пробой бывает полезным. Ещё одной особенностью pn-перехода является то, что тот обеднённый слой на месте контакта двух проводников, который создаёт внутреннее поле, очень похож на конденсатор. Поэтому говорят, что внутри перехода имеет ёмкость. Её именуют барьерной, чтобы подчеркнуть способ её образования. Также существует ещё одна ёмкость, которая наблюдается при прямом включении перехода и она объясняется динамическими процессами в полупроводниках. Её называют диффузионной. Подробно касаться этого тоже не будем. Ёмкости нужно время для того, чтобы зарядится и разрядится, поэтому если возникает желание быстро менять местами напряжение на концах pn-перехода, то из одного режима в другой переход перейдёт не мгновенно. Для того, чтобы подчеркнуть, что ёмкость очень важна даже рисуют вот такие эквивалентные схемы для pn-перехода.

Ёмкость pn-перехода также интересна для использования на практике. Дело в том, что при обратном смещении от напряжения зависит толщина обеднённого слоя, а соответственно и количество заряда, которое находится по обе стороны перехода. В таком случае можно говорить, что напряжение изменяет ёмкость перехода.

Резюме

Самой популярной конструкцией в полупроводниковой электронике является pn-переход, который представляет собой соединение двух полупроводников разного типа (p и n). Данный переход обладает уникальными свойствами, что определяет его широкое применение. Основной особенностью данного контакта можно считать пропускание электрического тока только в одну сторону. Кроме того, pn-переход может генерировать свет и реагировать на него.

Переход полупроводник-металл

Кратко можно упомянуть ещё об одном виде контактных явлений: между металлом и полупроводником. При определённых условиях в таком контакте может появиться также потенциальный барьер. Очень часто можно встретить название — барьер Шоттки. По имени изобретателя. Для наглядности посмотрим как это происходит, если соединить металл с полупроводником n-типа. Рассуждения для полупроводника p-типа похожи.

При таком контакте основные носители заряда (электроны) из полупроводника будут перетекать в металл. Что приведёт к схожей ситуации с pn-переходом. Возникнет область с полем, которое будет тормозить дальнейшее увеличение объёма необогащённого слоя. Процессы внутри материала отличаются, конечно, от pn-перехода, но в некоторой степени схожи. ВАХ имеет похожую структуру. Основным отличием от pn-перехода является то, что данный переход является более быстрым в виду того, что за ток отвечают только электроны (подвижность электронов выше, чем у «дырок»). Также ёмкость перехода намного меньше. Также следует отметить, что на переходе падает меньше напряжение, чем при контакте двух полупроводников.

Резюме

Помимо pn-перехода существуют другие типы соединений. Интересным с практической точки зрения является контакт металл-полупроводник, который обладает схожими свойствами с pn-переходом.

Шаг 7. Диод Простейшим среди полупроводниковых устройств является диод. Название такое от того, что у него два вывода (вход и выход). В основе всех диодов лежат свойства pn-перехода, обыгрывая какой-нибудь из параметров, получаются разные диоды. Простейший диод, на основе pn-перехода выглядит и обозначается вот так:

Ниже приведено краткое описание других типов диодов. Диоды Шоттки основаны на использовании барьера Шоттки; варикапы используют ёмкостные эффекты pn-перехода; стабилитроны используют особенности обратной ветки ВАХ диода (показано на рисунке) для стабилизации напряжения; туннельные диоды используются при проектировании генераторов; фотодиоды и светодиоды применяются для детектирования и излучения света (возможна модификации для излучения когерентного света — лазеры).

Также существует класс устройств с тремя выводами, но по функциональности они ближе к диодам. Это так называемые тиристоры. Они часто применяются для электрических приложений с большими мощностями. В каком-то отдалённом смысле принцип работы можно сравнить с ещё одним сложным устройством, но более популярным — транзистором. В тиристорах также один pn-переход управляет другим. Более подробно можно почитать о тиристорах, динисторах и других устройствах из этого класса в дополнительной литературе. Кроме всего прочего, существует большое разнообразие других видов, таких как лавинные фотодиоды (очень чувствительные, используются в экспериментах с квантовыми компьютерами и криптографией), pin-диоды, оптроны, импульсные диоды и т.д. Широкое разнообразие разновидностей диодов говорит об очень больших областях применения. Более популярными (с академической позиции) являются использование диодов для выпрямления сигнала (из переменного в постоянный), для стабилизации напряжения, для подстройки частоты (через изменение ёмкости) колебательного контуры. И многое другое. Необходимо отметить, что полупроводниковая электроника развивается большими темпами и сейчас диод именно как чистый pn-переход внедрён повсеместно. Подробности будут сказаны ниже.

Резюме

Полупроводниковый диод является простейшим конечным устройством, использующим pn-переход. Существуют различные модификации диодов, которые используют те или иные параметры pn-перехода. Полупроводниковые диоды очень широко распространены.

Транзистор Не менее популярными и значимыми устройствами в классе полупроводниковых приборов являются транзисторы. Это устройства обычно с тремя выводами, которые можно разделить на два больших класса: биполярные и полевые. Полевой транзистор представляет собой некоторую полупроводниковую структуру, в которой имеется чётко выраженная область либо p, либо n-типа. Такую область называют каналом. Данный канал имеет какую-то определённую проводимость (сопротивление). Суть работы полевого транзистора состоит в том, что дополнительные полупроводниковые конструкции в виде pn-переходов в нём позволяют управлять проводимостью (сопротивлением) этого канала. Другими словами, полевой транзистор — это переменное сопротивление, которое полезно использовать в различных схемах. Само слово транзистор, в принципе, расшифровывается как переменное сопротивление. На рисунке ниже показана структура типичного полевого транзистора.

Как видно канал имеет два вывода, обладающие особой терминологией: исток и сток. Эти выводы подключают к участку цепи, где нужно переменное сопротивление. Третий вывод транзистора являет управляющим. На него подаётся сигнал, который изменяет проводимость (сопротивление) канала. Этот вывод именуют затвором. Существуют различные способы организации данного эффекта управления, по которым полевые транзисторы ещё делятся на несколько подклассов. На рисунке выше изображён полевой транзистор с управляющим pn-переходом. Принцип его работы основан на рассмотренных выше свойствах pn-перехода. В данном случае pn-переход включают в обратном направлении и под действие внешнего электрического поля переход либо увеличивается (в размере) или уменьшается. Таким образом, регулируется площадь канала. Чем меньше площадь (поперечного сечения) материала, по которому течёт ток, тем меньше его сила (при прочих равных условиях). Дальнейшие тонкости рассматривать не будем. Имеет место аналогия с вентилями на трубах, работа которых аналогична. Как уже выше отмечалось, удобно перейти к различным зависимостям, которые будут отражать суть эффекта для технической реализации. На картинке представлены такие зависимости для изображённого транзистора. Это два совмещённых графика: выходная характеристика (правый) и характеристика прямой передачи (левый). Через pn-переход в обратном включении течёт маленький ток, поэтому неудобно говорить об управляющем токе. В основном рассматривают управляющее напряжение, поэтому на характеристике прямой передачи (зависимости выходного тока) рассматривается зависимость от напряжения. Видно, что с увеличением напряжения, уменьшается выходной ток (растёт переход и перекрывается канал). На правом графике приведено несколько зависимостей. Они отличаются друг от друга только входным напряжением. По данному графику тоже хорошо видно, что чем больше сопротивление, тем меньше ток на выходе. На следующем рисунке представлен другой подкласс полевых транзисторов — транзисторы с изолированным затвором. По их структуре их ещё называют МДП (метал-диэлектрик-полупроводник), чтобы подчеркнуть изолированность металлического затвора диэлектриком от полупроводникового канала. Также встречается название МОП (вместо слово диэлектрик подставляют более конкретно — оксид). Изоляция тут нужна для того, чтобы не создавать сложных контактных структур, потому, что нужно только электрическое поле, которое и создаётся затвором (между затвором и другим контактом-подложкой, как в конденсаторе).

На рисунке схематично изображена конструкция такого полевого транзистора. Когда на затвор подают потенциал больше, чем на подложке, то напряжённость поля будет направлена в сторону подложки и все те немногочисленные электроны, что есть в p-полупроводнике будут «примагничиваться» к затвору. Через некоторое время образуется тонкий слой электронов, который создаёт «мостик» между стоком и истоком и выступает в качестве канала. Говорят, что канал индуцировался (образовался). Поэтому такие транзисторы называют «с индуцированным каналом». Существует также немного другая модификация, когда принцип тот же самый, но изначально делают очень тонкий канал, для того, чтобы можно было что-нибудь проводить и без подачи потенциала на затвор. Такой полевой транзистор называют со встроенным каналом. Как можно заметить, сила тока варьируется от двух параметров: от площади поперечного сечения проводника и от количества зарядов, «протекающих» через это сечение. Полевые транзисторы для управления током используют оба эти параметра, регулируя в одном случае концентрацию зарядов (изолированный затвор), а в другом случае площадь поперечного сечения (управляющий pn-переход). Другим классом транзисторов, являются биполярные транзисторы, которые в отличии от полевых (поле), состоят из двух pn-переходов и управление током через один переход производится с помощью другого. На рисунке показано обозначение биполярных транзисторов и их принцип работы.

Можно выделить основные части биполярного транзистора: база, эмиттер и коллектор. На рисунке они изображены одинакового размера, хотя на самом деле базу стараются сделать уже. Дальше будет понятно почему. Если подключить провода к двум концам такого транзистора (эмиттеру и коллектору) и подать напряжение, то через него не будет течь ток вообще ни в каком направлении. Это объясняется структурой. Можно заметить, что в любом случае какой-нибудь из pn-переходов будет в обратном смещении. Однако, если на базовый контакт подать соответствующее напряжение, то можно заметить увеличение тока. Секрет кроется в том, что при подаче напряжения, например как на рисунке, один переход будет в прямом смещении, в другой в обратном. Прямое смещение первого перехода создаёт хороший поток «дырок» из эмиттера в базу, где они, конечно же, рекомбинируют с огромным количеством электронов. Если величина тока достаточная, то часть «дырок» не будет успевать рекомбинировать и их количество будет накапливаться. По действием диффузии они потекут к коллекторному переходу, а там уже переход в обратном смещении, который для неосновных носителей является ускоряющим, т.е. поле перехода «выкинет» «подлетевшую» к нему «дырку», что и создаёт ток коллектора. Заметим, что «дырок» в этом случае в n-полупроводнике больше, чем обычно, поэтому будет течь существенный ток. такой режим работы биполярного транзистора называют активным (один переход открыт, другой закрыт). Также существуют и другие режимы, в зависимости от направления смещения pn-переходов. Особенности эти трогать не будем, о них можно почитать в дополнительной литературе. Для биполярных транзисторов также используют описание с помощью всевозможных характеристик, обычно это входные (входной ток) и выходные (выходной ток). На рисунке ниже представлены наиболее популярные способы использования биполярных транзисторов и их характеристики.

Дело в том, что и полевые и биполярные транзисторы можно подключать к электрической цепи по-разному, основное отличие состоит в том, куда подавать управляющий сигнал (по правде немного по-другому: какой выход будет общим для управляющей цепи и для управляемой). Для полевых транзисторов данное описание было опущено, а вот для биполярных в виду существенной разницы приведено для двух более популярных случаев (бывает ещё с общим коллектором). Для того, чтобы не запутаться где рисовать и какие стрелки на обозначениях транзисторов, запомните, что стрелка как у компаса указывает на N (n-тип полупроводника).

Это актуально и для биполярных и для полевых транзисторов (там бывает канал разного типа). У одних она всегда рисуется на эмиттере, у других на затворе. В радиотехнике существует много разных подходов для описания устройств и их параметров. Один из них — это представление устройства в виде чёрного ящика с несколькими выводами. Каждый вывод соответствует физическому выводу устройства. Такой подход позволяет также абстрагироваться от физики и использовать лишь непосредственно свойства устройства. Для транзисторов типична схема включения, когда один из её выводов является общим для управляющей и для управляемой цепи. В итоге получается, что транзистор как бы имеет 4 вывода. В этом случае называют чёрный ящик четырёхполюсником. Между входом и выходом устройства есть очевидно связь и эту связь можно описать разными коэффициентами, которые называют параметрами. Для транзисторов наибольший интерес представляют h-параметры (H-параметры). Значения их приведено на рисунке ниже.